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基于AR模型与Kalman滤波算法的电力系统间谐波检测方法研究

作　者: 汪超
导　师: 孙金玮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 间谐波非同步采样 AR模型 Burg算法 Kalman滤波算法
分类号: TM935.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电能是目前全世界使用最广泛,最便捷的能源,它不但在工业现代化中担负着重要的作用,更是整个社会和人们生活依赖的关键资源。电能的质量也在近几年来成为一个研究热点,谐波和间谐波污染更是首当其冲需要解决的问题。电力系统间谐波的频率是基频非整数倍,且频谱随时间而随机变化。传统的傅里叶谱分析法虽然能够有效地检测整数次谐波,但是对于包含大量间谐波和噪声分量的电网信号,却会因为非同步采样误差而难以准确地分离频率分量。本文利用现代谱估计法对电网信号进行频谱分析,其在随机信号处理中有着先天优势,能够从统计学的角度来描述信号过程,并准确地展现出其频域特性。首先详细讨论了现代谱估计法中最为常用的AR模型的原理,及其应用于间谐波检测的方法;接着阐述了最为典型的用于AR模型参数估计的Burg算法的原理;然后针对Burg算法存在的谱线分裂和谱峰偏移等缺点,提出了将AR模型和Kalman滤波算法结合的间谐波分析新方法。该方法利用Kalman滤波算法对AR模型参数进行估计,将AR模型参数向量作为状态量,建立系统的状态方程,并结合采样数据建立系统的观测方程,从而求得参数向量的最小方差估计来建立模型。该方法减小了谱峰偏移,克服了Burg算法的谱线分裂现象。在对信号频率分量做出准确谱估计的基础上,进一步提出了利用Kalman滤波算法进行间谐波幅值估计及谱线插值修正的方法。该方法利用Kalman迭代算法对已知频率的间谐波分量进行精确地幅值估计,并且通过谱线插值算法对各分量的频率和幅值进一步修正,极大地提高了间谐波的检测精度。最后通过Matlab仿真和实际电压波形分析实验表明,本文方法明显改善了电网信号的谱估计性能,不但能够对很短的数据得出较好的间谐波谱估计,抗干扰能力强,而且计算效率高,实效性强,能够适应电网信号的在线监测。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景及意义  10-12
    1.1.1 间谐波的定义  10-11
    1.1.2 间谐波的产生  11
    1.1.3 间谐波的危害  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 本文研究的主要内容  14-15
  1.4 本文的结构  15-16
第2章间谐波检测的理论基础及一般方法  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 IEC 检测方法  16-19
    2.2.1 IEC 检测方法的基本原理  16-18
    2.2.2 IEC 检测方法的问题  18-19
  2.3 IEC 检测方法的改进  19-21
  2.4 现代功率谱估计法  21-25
    2.4.1 AR 模型的基本原理  22
    2.4.2 基于AR 模型的间谐波分析  22-24
    2.4.3 基于Burg 算法的AR 模型参数提取方法  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章基于Kalman 滤波算法与AR 模型的间谐波检测方法  26-43
  3.1 引言  26
  3.2 基于Kalman 滤波算法的参数估计原理  26-29
  3.3 利用Kalman 滤波算法提取AR 模型参数的间谐波分析方法  29-34
    3.3.1 电网信号状态空间模型的建立  30-31
    3.3.2 电网信号的AR 模型分析的阶数确定  31-32
    3.3.3 自适应Kalman 滤波算法的推导  32-33
    3.3.4 算法的实现步骤  33-34
  3.4 算法的仿真测试与结果分析  34-42
    3.4.1 IEC 标准测试条件下的仿真  35-36
    3.4.2 强噪声干扰条件下的仿真  36-38
    3.4.3 短采样时间和非同步采样情况下的仿真  38-41
    3.4.4 低模型阶数下Burg 算法与新算法对比仿真  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章基于Kalman 滤波算法的间谐波幅值估计及谱线插值修正  43-56
  4.1 引言  43-44
  4.2 基于Kalman 滤波算法的间谐波幅值估计  44-46
  4.3 利用谱线插值算法对幅值和频率估计的修正  46-50
    4.3.1 频率偏移对幅值估计产生的误差  46-47
    4.3.2 谱线插值算法对幅值和频率估计值的修正  47-50
  4.4 幅值估计及其修正算法的仿真和结果讨论  50-55
    4.4.1 IEC 标准时间窗的幅值估计仿真对比  50-51
    4.4.2 短采样数据的幅值估计仿真对比  51-52
    4.4.3 非同步采样下的幅值估计仿真对比  52-54
    4.4.4 对本章提出方法的进一步改进及其仿真  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第5章实验验证  56-63
  5.1 引言  56
  5.2 间谐波源的产生  56-57
  5.3 实验流程  57
  5.4 基于DSP 的数据采集和算法的实现  57-58
  5.5 实验结果与分析  58-61
    5.5.1 短时间窗采样的混合电压波形信号实验  58-60
    5.5.2 基波频率偏移时的非同步采样信号实验  60-61
  5.6 本章小结  61-63
结论  63-65
参考文献  65-70
攻读硕士期间发表的学术论文  70-72
致谢  72-73
个人简历  73

基于AR模型与Kalman滤波算法的电力系统间谐波检测方法研究

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